一、前言
加強頂板監測，實現及時預警是有效防治頂板災害的重要手段之一，也是提高頂板管理水平、加強數字化礦山建設的重要方面。頂板災害監測預警是在大量案例分析基礎上，通過理論聯系實際，研究頂板災害致災因素，確定預警指標和預警準則，通過實時捕捉和分析災害發生前的先兆信息和變化特征，及時預警，以消除可能發生的災害，避免人員和財產損失。
二、綜采工作面頂板災害監測關鍵技術
1.創新采用高可靠性“濺射薄膜壓力傳感器”，確保監測數據準確性。
針對井下濕度大、粉塵多、有爆炸性氣體等特點，在對比鋼弦式、壓阻式、應變片式等傳感器類型的基礎上，某型號產品創新使用濺射薄膜壓力傳感器。該類傳感器是即在10級超潔凈空間中，利用離子束濺射技術，將絕緣材料、電阻材料、焊接材料以分子形式淀積在彈性不銹鋼膜片上，再經過光刻、調阻，溫度補償等工序，在彈性不銹鋼膜片表面上形成牢固而穩定的惠斯頓電橋。相比傳統的人工或機器貼應變片式傳感器，更耐久、更精確。
2.創新智能型傳感器采樣模式，實現了達秒級采樣。
創新采用“智能型采樣模式”，根據壓力變化（0.1MPa）進行采樣，最短2秒鐘進行一次采樣，能夠將支架降、移、升全過程及頂板來壓產生的瞬間動載準確記錄。
3.研制了干擾能力強、電池持續供電時間長的系列無線監測設備。
基于460MHz無線射頻技術、微功耗設計及大容量電池供電技術，開發了系列無線監測設備，實現了井下回采工作面穩定傳輸距離達30m，回采順槽和掘進工作面穩定傳輸距離達100m，單塊電池持續供電時間達180天。
開發了自組織路由協議，傳輸網絡中任意一臺設備故障，可自由選擇傳輸路徑，大大提高了無線傳輸的可靠性和穩定性。
4.開發了兩級數據存儲功能，確保監測數據的完整性、及時性。
系統傳感器內部擁有閃存，線路故障后，閃存內能夠存儲7-15天的監測數據，當系統恢復后，自動上傳閃存內的監測數據；系統分站擁有“U盤”存儲功能，系統線路故障后，U盤能夠存儲至少1個月的數據，當系統恢復后，系統既可以自動上傳分站內的U盤數據，也可以通過人工將U盤數據拷貝到數據庫。
5.開發了礦壓數據自動分析模型，實現了報表及報告的自動分析。
根據支架移架過程中的阻力變化特征，研發了初撐力及循環末阻力自動分析模型，根據安全閥開啟時的“鋸齒”型曲線牲，開發了安全閥開啟率自動分析模型，分析界面如圖1和圖2所示。為顯著提高礦壓數據分析準確性和分析效率，開發了報表及報告的自動分析功能。
圖1 支架初撐力和循環末阻力自動分析結果
圖2 安全閥開啟自動分析結果
6.基于B/S架構開發了頂板動態監測平臺，實現了井下環網、地面局域網以及遠程英特網的“三網”無縫對接，多工作面、多礦井的聯合監測。
系統軟件基于B/S架構，模塊化開發理念，客戶端無需安裝復雜的監測軟件，通過IE瀏覽器即可實時查看井下頂板安全狀態；開發了信號轉換器，實現了CAN總線信號通過RS485或者RJ45方式與以太環網的無縫對接；開發了數據采集與遠程傳輸協議，實現了多礦井、多工作面的遠程實時監測，顯著提高了頂板監測水平。
三、綜采工作面頂板災害預警關鍵技術
通過研究國內近年來發生的頂板壓架事故實例，包括伊泰酸刺溝礦、華能扎賚諾爾煤業公司鐵北礦、霍州煤電干河礦、同煤塔山礦等，提出了10個采煤工作面頂板災害預警指標：初撐力合格率、最大工作阻力、安全閥開啟率、頂板來壓步距、支架不平衡率、支架不保壓率、增阻率、頂板循環下沉量、支架傾角以及地質構造等異常區域。
1.初撐力：是指支柱通過頂梁而給予頂板的主動支撐力。較大的初撐力有三個方面的作用，一是能使支架較快達到工作阻力，減小頂板初期下沉量，防止頂板早期離層破碎；二是提高基本頂鉸接巖塊的水平作用力和摩擦力，有利于基本頂形成暫時穩定的鉸接結構，減少上覆巖層變形壓力對支架載荷的影響。三是有利于支架提供足夠的切頂力，促使頂板在移架后及時破斷。初撐力水平低易導致工作面發生壓架、漏冒或推垮事故。
2.支架最大工作阻力：不僅是分析工作面動載系數的關鍵指標，也是衡量支架額定工作阻力是否合理的重要依據之一。工作阻力越大，說明頂板破斷時對支架造成的動載越大，要求支架具有較高的支護強度和讓壓性能。不合理的支架工作阻力易導致支架關鍵元部件損壞或者壓死支架，甚至釀成頂板事故。
3.支架安全閥：安全閥有兩個作用，一是卸荷作用，當工作面頂板壓力超過支架額定工作阻力時，安全閥自動打開卸載，以保護液壓支架不被壓壞。安全閥的流量應與頂板的來壓強度及立柱缸徑相適應，如果安全閥的公稱流量選擇過小，頂板來壓時支架的卸壓速度達不到要求，液壓支架也可能被壓壞。二是卸荷后及時支撐，當頂板壓力小于額定工作阻力時，安全閥關閉，以保持足夠的支護力。安全閥開啟率高反應支架對頂板載荷無法滿足頂板來壓的需要，易發生壓架或者切頂事故。
4.頂板來壓步距：頂板來壓步距是反應工作面礦壓顯現強烈的重要指標，工作面來壓步距越長，采空區懸頂面積越大，大面積垮落時造成的危害越大。工作面來壓步距長易造成壓垮型事故。
5.支架不保壓：液壓支架是綜采（放）工作面三大重要裝備之一，起著支撐頂板、維護作業空間安全的關鍵作用。支架工作性能能否充分發揮直接決定回采工作面的頂板是否安全。支架不保壓，即支架的末阻力小于初撐力，這種工作狀態表明支架工作阻力在采煤循環過程中呈下降趨勢，頂板來壓時不能有效發揮支撐頂板的作用，大面積支架產生不保壓工況，極易造成工作面發生切頂或壓架事故。
6.支架不平衡：即支架左（前）右（后）立柱受力不均勻，支架受偏載易損壞關鍵結構件，大范圍支架處于不平衡狀態時極易導致切頂壓架事故。酸刺溝煤礦發生大范圍壓架事故的6上105-2工作面監測結果表明，事故發生前柱受力為后柱受力的2.18倍。
7.增阻率：增阻率為支架循環末阻力與初撐力的差值，增阻率不僅反映支架載荷增長程度，還反映支架與圍巖的相互作用關系。研究表明，頂板下沉量與增阻率成正比，與底板-支架-頂板串聯剛度成反比，增大初撐力可壓縮底板浮煤和頂板破碎層，增加底板-支架-頂板串聯剛度，增阻率分布在低的范圍可能性越大，超有利于頂板控制。
8.頂板循環下沉量：指單個采煤循環過程中，液壓支架從初撐力到循環末阻力期間的頂板位移量，頂板循環下沉量增加表明上位直接頂或者基本頂產生變形或破壞，易導致頂板離層，增加工作面片幫和冒頂概率。隨著采煤工作面的推進，頂板循環下沉量疊加后極易導致頂板災害發生，因此，頂板下沉量采煤工作面頂板控制的關鍵。
9.支架傾角：支架傾角指的是支架沿采煤工作面走向或者傾斜方向的傾斜角度。液壓支架在井下受頂板、底板、采空區矸石以及相鄰支架等各種水平和垂直外力的作用，易產生傾倒和歪斜現象，尤其是當煤層有角度或者頂底板不平整時，受力狀態更加復雜，傾倒和歪斜難以避免。支架傾倒和歪斜后不僅會降低圍巖支護效果，還會導致支架相互咬合、前移困難，降低工作面推進速度，如果控制不好，易造成局部冒頂事故。
10.應力和地質異常區域：上分層開采遺留煤柱等應力異常區域以及斷層、陷落柱等地質異常區域是各類頂板事故易發區域，回采過程中應不僅對采場已探明異常區域的礦壓顯現情況進行實時預警，避免頂板來壓與異常區域疊加導致頂板事故，還要隨著工作面推進及時超前探測，及時預警。
四、應用實例
某煤業有限責任公司的主力生產礦井新二采區右三片工作面開采Ⅱ2a煤層，平均厚度13.9m，埋深340m，采用綜合機械化放頂煤開采，設計割煤高度3.2m，平均放煤高度5.5m，工作面走向長1680m，傾斜長度165.5m，煤層傾角4～7°。直接頂為3.5～4.0m的劣煤與泥巖互層，較為穩定，基本頂為砂質泥巖和泥質砂巖互層，Ⅱ2a煤層頂板以上主要有4層砂巖含水層。
由于右三片綜放工作面礦壓顯現強烈，頻繁發生壓架事故，沒有加強頂板監測預警前，工作面最高月產僅21萬噸，長時間不能實現年產300萬噸的設計生產能力。通過采用某頂板災害監測預警平臺，對液壓支架初撐力、末阻力、安全閥開啟、不保壓率、不平衡率等實現24小時不間斷監測和預警，及時采取有效措施保證支架處于良好的工作狀態。通過一段時間的實踐，工作面順利達產，年產量由原來的不足250萬噸提高至350萬噸。采取的主要措施如下：
1.提高初撐力水平。
通過加強移架工人培訓，嚴格規范移架工操作，要求移架后必須穩定給液30秒以上，給足支架初撐力。通過更新泵站，保證乳化液配比，支架初撐力水平由原來的3287kN（占設計值的51%）提高至4818kN（占設計值的75%），支架上方頂板受力狀態得到顯著改善。
2.加強液壓支架檢修工作和放煤工藝管理，重新調定安全閥開啟值。
加強支架密封、管路和安全閥的檢修工作，共更換約20個支架密封件，12個不合格安全閥，重新設定6個安全閥的開啟值。隨著放煤量的增加，來壓時工作面局部區域出現了沖擊載荷，但通過采取杜絕將頂煤放空，提高支架工況等措施，工作面能夠順利度過頂板來壓期。
3.加強礦壓數據分析，加快推進速度。
通過對頂板來壓和淋水量的實時監測，及時分析礦壓和淋水量觀測數據并預警，在頂板來壓前通過降少放煤量，必要時降低采高，加快推進速度，保證工作面安全通過礦壓顯現強烈和涌水量大的地段。
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